Arbeitsfelder - Energiewirtschaft - Klärschlammbehandlung

Alternative Verfahren zur Klärschlammbehandlung

Neben der Monoverbrennung von Klärschlamm sind auch unkonventionelle, alternative Verfahren zur Klärschlammbehandlung am Markt verfügbar. Zu diesen alternativen Verfahren zur stofflichen oder energetischen Verwertung gehören beispielsweise die Hydrothermale Carbonisierung (HTC), die Pyrolyse oder die Vergasung.

Die Verfahren unterscheiden sich abhängig von den Prozessbedingungen (vgl. Abbildung).

Da die Hydrothermale Carbonisierung (HTC) insbesondere für die Behandlung von nassen/feuchten organischen Abfällen geeignet ist, wird an dieser Stelle auf dieses Verfahren genauer eingegangen.

Die HTC ist ein Konversionsverfahren, um feuchte organische Abfälle (z. B. Gärrest oder Klärschlamm) so zu modifizieren, dass die Produkte im Vergleich zum Ausgangsmaterial kohleähnlich sind und u. a. verbesserte Entwässerungseigenschaften aufweisen. Dazu wird das Ausgangsmaterial unter hydrothermalen Bedingungen (unter Anwesenheit von Wasser bei Temperaturen um 200 °C in einem gasdichten Reaktor) umgesetzt.

Erste Untersuchungen zu diesem Verfahren gab es bereits vor etwa 100 Jahren von dem Nobelpreisträger Friedrich Bergius in Hannover. Ziel der Untersuchungen war es, die natürliche Entstehung von Kohle auf technischem Weg nachzustellen und zu nutzen. Weitere Arbeiten folgten, jedoch ohne große Resonanz und Erfolg. Erst durch die wachsende Bedeutung nachhaltiger Technologien im Rahmen des Klima- und Ressourcenschutzes bekam das hydrothermale Verfahren unter dem Stichwort "HTC" neue Aufmerksamkeit – nicht zuletzt durch die umwelttechnik und ingenieure GmbH in Hannover.

Seit der "Wiederentdeckung" im Jahr 2006 hat sich die Technologie sehr schnell weiterentwickelt, und es wurden unterschiedliche neue Geschäftsmodelle erschlossen. Dies kann u. a. daran bemessen werden, dass zahlreiche Forschungsprojekte erfolgreich durchgeführt sowie unterschiedliche industrielle Anlagen entwickelt und in Betrieb gesetzt wurden. Momentan gibt es auf dem Markt verschiedene Anlagenhersteller, die diverse verfahrenstechnische Konzepte anbieten. Da Langzeiterfahrungen noch fehlen, ist eine Vergleichbarkeit und Bewertung dieser Konzepte – insbesondere vor dem Hintergrund der sich ändernden Gesetzesgrundlagen – schwierig.

Im Folgenden sind daher die wesentlichen Merkmale und Potenziale der HTC zusammengefasst.

Für den Prozess der HTC wird das mit Wasser benetzte Ausgangsmaterial in einem geschlossenen Reaktor auf eine Temperatur um 200 °C erhitzt, sodass sich ein Sättigungsdampfdruck ausbildet. Unter diesen Reaktionsbedingungen verändern sich die Eigenschaften des organischen Materials. Veränderungen sind an der zunehmend dunkleren Farbe der getrockneten Produkte zu erkennen (s. Abbildung 1), wobei zeitgleich Kohlenstoffgehalt und Brennwert der Produkte zunehmen.

Abbildung 1: Bandbreite der zu erhaltenen HTC-Produkte: Unbehandelte Biomasse (links) bis hin zu stark karbonisierte Biomasse (rechts) unterscheiden sich deutlich in Farbe und chemisch/physikalischen Eigenschaften.

Eine Besonderheit der HTC ist, dass die angestrebte Produktqualität über die Reaktionstemperatur und die Reaktionszeit (in der Regel unter 5 h) maßgeblich eingestellt werden kann. Auch ist der Prozess insgesamt exotherm, d. h. ein Teil der in der Biomasse gespeicherten Energie wird freigesetzt und trägt somit dazu bei, dass weniger Energie zum Erhalt der Reaktionstemperatur von etwa 200 °C eingesetzt werden muss.

Nach der hydrothermalen Behandlung wird der erzeugte Produktschlamm weiter verwertet, wobei die mechanische Entwässerbarkeit deutlich verbessert ist (s. Abbildung 2). So kann nicht stabilisierter Klärschlamm vor der HTC auf max. 30 % Feststoff (und 70 % Wasser), nach der HTC hingegen auf einen Feststoffgehalt von bis zu 70 % (und 30 % Wasser) entwässert werden. Das erzeugte, kohleähnliche Zielprodukt kann u. a. als Brennstoff genutzt werden, da der verringerte Wassergehalt im Feststoff das Potenzial für eine energetische Nutzung deutlich erhöht.

Abbildung 2: Beispiel für die Anwendung der Hydrothermalen Carbonisierung zur Behandlung von Schlämmen: Abhängig von Ausgangsmaterial und Prozessbedingungen kann die Masse von Schlämmen um 2/3 reduziert werden.

Auf Grund der zahlreichen gelösten organischen Komponenten kann das Abwasser vergoren werden, sodass einerseits Methan als Energieträger erzeugt werden kann und auf der anderen Seite der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) des Abwassers deutlich reduziert wird. Speziell für die Behandlung von Klärschlamm ist darüber hinaus eine Phosphorrückgewinnung möglich.

Wir beschäftigen uns seit der "Wiederentdeckung" der HTC mit dem Thema, zu dem uns inzwischen mehr als 900 wissenschaftliche Arbeiten, Berichte und Veröffentlichungen aus dem Themenbereich der HTC vorliegen. Diese bilden neben eigenen praktischen Erfahrungen (Dissertation zur Kinetik und Thermodynamik der HTC) in der verfahrenstechnischen Umsetzung eine umfangreiche Datenbasis. Kombiniert mit dem Wissen aus über 26 Jahren umwelttechnik & ingenieure GmbH bieten wir als unabhängiges Ingenieurbüro an, Sie zu allen Belangen der HTC zu beraten und individuelle Konzepte für Sie zu entwickeln.

Zu unseren Kernkompetenzen gehören in diesem Zusammenhang:

  • Wirtschaftlichkeitsprüfungen
  • Projektprüfungen
  • Erstellung von Gutachten
  • Due Diligence/Wertgutachten.

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